電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)(三)

1、電磁場(chǎng)與微波測(cè)量實(shí)驗(yàn)報(bào)告（三）學(xué)院： 班級(jí)： 組員一：學(xué)號(hào)：組員二：學(xué)號(hào)：實(shí)驗(yàn)一：微波測(cè)量系統(tǒng)的使用和信號(hào)源波長(zhǎng)功率的測(cè)量一， 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）學(xué)習(xí)微波的基本知識(shí)；（2）了解微波在波導(dǎo)中傳播的特點(diǎn)，掌握微波基本測(cè)量技術(shù)；（3）學(xué)習(xí)用微波作為觀測(cè)手段來(lái)研究物理現(xiàn)象。二， 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)接觸到的基本儀器室駐波測(cè)量線系統(tǒng)，用于駐波中電磁場(chǎng)分布情況的測(cè)量。該系統(tǒng)由以下幾個(gè)部分組成：檢波指示器1，波導(dǎo)測(cè)量線裝置2，晶體檢波器微波測(cè)量中，為指示波導(dǎo)（或同軸線）中電磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小，是將它經(jīng)過(guò)晶體二極管檢波變成低頻信號(hào)或直流電流，用直流電流表的電流來(lái)讀數(shù)的。3，波導(dǎo)管本實(shí)驗(yàn)所使用的波導(dǎo)管型號(hào)為BJ-100。4，

2、隔離器位于磁場(chǎng)中的某些鐵氧化體材料對(duì)于來(lái)自不同方向的電磁波有著不同吸收，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)，可使其對(duì)微波具有單方向傳播的特性，隔離器常用于振蕩器與負(fù)載之間，起隔離和單向傳輸?shù)淖饔谩?，衰減器把一片能吸微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管即成，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率從以及去耦合的作用。6，諧振式頻率計(jì)（波長(zhǎng)表）電磁波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，它基本不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率計(jì)滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過(guò)波導(dǎo)

3、中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率。7，匹配負(fù)載波導(dǎo)中裝有很好地吸收微波能量的電阻片或吸收材料，它幾乎能全部吸收入射功率。8，環(huán)形器它是使微波能量按一定順序傳輸?shù)蔫F氧體器件。主要結(jié)構(gòu)為波導(dǎo)Y型接頭，在接頭中心放一鐵氧體圓柱（或三角形鐵氧體塊），在接頭外面有“U”形永磁鐵，它提供恒定磁場(chǎng)H0。9，單螺調(diào)配器插入矩形波導(dǎo)中的一個(gè)深度可以調(diào)節(jié)的螺釘，并沿著矩形波導(dǎo)寬壁中心的無(wú)輻射縫作縱向移動(dòng)，通過(guò)調(diào)節(jié)探針的位置使負(fù)載與傳輸線達(dá)到匹配狀態(tài)。調(diào)匹配過(guò)程的實(shí)質(zhì)，就是使調(diào)配器產(chǎn)生一個(gè)反射波，其幅度和失配元件產(chǎn)生的反射波幅度

4、相等而相位相反，從而抵消失配元件在系統(tǒng)中引起的反射而達(dá)到匹配。 10，微波源提供所需微波信號(hào)，頻率范圍在8.6-9.6GHz內(nèi)可調(diào)，工作方式有等幅、方波、外調(diào)制等，實(shí)驗(yàn)時(shí)根據(jù)需要加以選擇。 11，選頻放大器 用于測(cè)量微弱低頻信號(hào)，信號(hào)經(jīng)升壓、放大，選出1kHz附近的信號(hào)，經(jīng)整流平滑后輸出級(jí)輸出直流電平，由對(duì)數(shù)放大器展寬供給指示電路檢測(cè)。三， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)步驟1.觀察測(cè)量系統(tǒng)的微波儀器連接裝置，衰減器，波長(zhǎng)計(jì)，波導(dǎo)測(cè)量線的結(jié)構(gòu)形式。2.熟悉信號(hào)源的使用先將信號(hào)源的工作方式選為：等幅位置，將衰減至于較大位置，輸出端接相應(yīng)指示器，觀察輸出；再將信號(hào)源的工作方式選為：方波位置，將衰減至于較大位置，輸

5、出端接相應(yīng)指示器，觀察輸出；3.熟悉選頻放大器的使用；4.熟悉諧振腔波長(zhǎng)計(jì)的使用方法； 微波的頻率測(cè)量是微波測(cè)量的基本內(nèi)容之一。其測(cè)量方法有兩種：（1）諧振腔法；（2）頻率比較法。本實(shí)驗(yàn)采用諧振腔法。由于波長(zhǎng)和平率直接滿足關(guān)系，所以頻率和波長(zhǎng)的測(cè)量是等效的。吸收式波長(zhǎng)計(jì)的諧振腔，其只有一個(gè)輸入端和能量傳輸線路相連，調(diào)諧過(guò)程可以從能量傳輸線路接收端指示器讀數(shù)的降低可以判斷出來(lái)；本實(shí)驗(yàn)采用了吸收式波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量信號(hào)源頻率，為了確定諧振頻率，用波長(zhǎng)表測(cè)出微波信號(hào)源的頻率。具體做法是：旋轉(zhuǎn)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，當(dāng)波長(zhǎng)表與被測(cè)頻率諧振時(shí)，將出現(xiàn)波峰。反映在建波指示器上的指示是一跌落點(diǎn)，此時(shí)，讀出波長(zhǎng)表測(cè)微頭的讀數(shù)

6、，再?gòu)牟ㄩL(zhǎng)表頻率與刻度曲線上查出對(duì)應(yīng)的頻率；5.按實(shí)驗(yàn)書(shū)框圖連接微波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；6.微調(diào)單旋調(diào)配器，事腔偏離匹配狀態(tài)（出于匹配狀態(tài)時(shí)，電流會(huì)達(dá)到一個(gè)最小值），檢波電流計(jì)上有一定示數(shù)（大于最小值）；7.調(diào)節(jié)波長(zhǎng)計(jì)使檢波電流計(jì)再次出現(xiàn)最小值的時(shí)候，讀出此處波長(zhǎng)計(jì)的刻度值；  8.按照波長(zhǎng)計(jì)的刻度值去查找“波長(zhǎng)計(jì)-頻率刻度對(duì)照表”，就可以得到對(duì)應(yīng)的信號(hào)源頻率值；9.改變信號(hào)頻率，從8.6G開(kāi)始測(cè)到9.6G，每隔0.1G測(cè)量一次，記錄在數(shù)據(jù)表格中。四， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析表格數(shù)據(jù)結(jié)果如下圖所示：信號(hào)源頻率波長(zhǎng)表讀數(shù)查表得到頻率信號(hào)源誤差誤差（%）8.612.638.590.010.1168.711

7、.338.6810.0190.2188.810.018.7840.0160.1828.98.918.880.020.2249.07.958.9830.0170.1899.16.739.1010.0010.0119.26.099.1750.0250.2729.35.339.2690.0310.3339.44.589.3690.0310.3339.53.939.4620.0380.49.63.329.5560.0440.458誤差分析：1.f0為信號(hào)源頻率值；f1為查表得到頻率；f=|f0-f1|為信號(hào)源誤差。本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)如表格中所示：f=|f0-f1|的誤差很小在可控范圍0.0090.044內(nèi)，

8、所以認(rèn)為實(shí)驗(yàn)成功。2.產(chǎn)生誤差的原因?yàn)椋簝x器測(cè)量自身產(chǎn)生的誤差：畢竟是用了很久的儀器，而且連接的器件也很多，所以誤差在所難免；人為誤差：在讀數(shù)據(jù)時(shí)需要幾個(gè)人的配合，調(diào)節(jié)波長(zhǎng)表的測(cè)微頭，觀察電流表指針變化是兩個(gè)人，可能會(huì)使數(shù)據(jù)有誤差，加之在讀數(shù)上也會(huì)有人為誤差；實(shí)驗(yàn)二：波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量一， 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容波導(dǎo)波長(zhǎng)的測(cè)量【方法一】?jī)牲c(diǎn)法實(shí)驗(yàn)原理如下圖所示：圖1按上圖連接測(cè)量系統(tǒng)，可變電抗可以采用短路片，在測(cè)量線中入射波與反射波的疊加為接近純駐波圖形，只要測(cè)得駐波相鄰節(jié)點(diǎn)得位置L1、L2，由公式即可求得波導(dǎo)波長(zhǎng)𝜆𝑔。兩點(diǎn)法確定波節(jié)點(diǎn)位置將測(cè)量線終端短路后，波導(dǎo)內(nèi)形成駐波狀態(tài)。

9、調(diào)探針位置旋鈕至電壓波節(jié)點(diǎn)處，選頻放大器電流表表頭指示值為零，測(cè)得兩個(gè)相鄰的電壓波節(jié)點(diǎn)位置（讀得對(duì)應(yīng)的游標(biāo)卡尺上的刻度值T1和T2），就可求得波導(dǎo)波長(zhǎng)為：𝜆𝑔=2|Tmin Tmin|由于在電壓波節(jié)點(diǎn)附近，電場(chǎng)（及對(duì)應(yīng)的晶體檢波電流）非常小，導(dǎo)致測(cè)量線探針移動(dòng)“足夠長(zhǎng)”的距離，選頻放大器表頭指針都在零處“不動(dòng)”（實(shí)際上是眼睛未察覺(jué)出指針有微小移動(dòng)或指針因惰性未移動(dòng)），因而很難準(zhǔn)確確定電壓波節(jié)點(diǎn)位置，具體測(cè)法如下：把小探針位置調(diào)至電壓波節(jié)點(diǎn)附近，盡量加大選頻放大器的靈敏度（減小衰減量），使波節(jié)點(diǎn)附近電流變化對(duì)位置非常敏感（即小探針位置稍有變化，選頻放大器表頭指示值

10、就有明顯變化）。記取同一電壓波節(jié)點(diǎn)兩側(cè)電流值相同時(shí)小探針?biāo)幍膬蓚€(gè)不同位置，則其平均值即為理論節(jié)點(diǎn)位置：  Tmin（T1+T2） （1a）最后可得𝜆𝑔=2|Tmin Tmin| （1b）兩點(diǎn)法確定波節(jié)點(diǎn)位置示意圖圖2【方法二】間接法矩形波導(dǎo)中的H10波，自由波長(zhǎng)0和波導(dǎo)波長(zhǎng)g滿足公式： 其中：g=3108/f ,a=2.286cm通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出波長(zhǎng)，然后利用儀器提供的對(duì)照表確定波的頻率，利用公式0 = 確定出0，再計(jì)算出波導(dǎo)波長(zhǎng)g，利用波長(zhǎng)表進(jìn)行波導(dǎo)波長(zhǎng)測(cè)量要注意，測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)完成后要將波長(zhǎng)計(jì)從諧振點(diǎn)調(diào)開(kāi)，以免信號(hào)衰減后影響后面的測(cè)量。二， 實(shí)驗(yàn)步驟（

11、1）觀察衰減器、空腔波長(zhǎng)計(jì)、駐波測(cè)量線的結(jié)構(gòu)形式、讀數(shù)方法。（2）按圖一檢查系統(tǒng)的連接裝置及連接電纜和電纜頭。（3）開(kāi)啟信號(hào)源，預(yù)熱儀器，并按操作規(guī)程調(diào)整信號(hào)工作頻率及幅度，并調(diào)整調(diào)制頻率。注意：輸出信號(hào)功率不能過(guò)大，以免信號(hào)過(guò)大燒壞檢測(cè)器件及儀器，開(kāi)啟選頻放大器電源，預(yù)熱按說(shuō)明書(shū)操作。注意：分貝開(kāi)關(guān)盡量不要放在60db位置，以免工作時(shí)因信號(hào)過(guò)大損壞表頭。（4）利用兩點(diǎn)法進(jìn)行測(cè)量，將波導(dǎo)測(cè)量線終端短路（同軸測(cè)量線終端開(kāi)路），調(diào)測(cè)量放大器的衰減量和可變衰減器使探針位于波腹時(shí)，放大器指示電表接近滿格，用公式1a，1b兩點(diǎn)法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)。（5）將駐波測(cè)量線探針插入適當(dāng)深度（約1.0mm），將探針轉(zhuǎn)移

12、至兩個(gè)波節(jié)點(diǎn)的中點(diǎn)位置，然后調(diào)節(jié)其調(diào)諧回路，使測(cè)量放大器指示最大。（6）利用間接法來(lái)測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)g，首先，用波長(zhǎng)計(jì)測(cè)量信號(hào)波長(zhǎng)。測(cè)三次取平均值，再按照公式二計(jì)算g，測(cè)量完成后要將波長(zhǎng)計(jì)從諧振點(diǎn)調(diào)開(kāi)，以免信號(hào)衰減影響后面的測(cè)量。校準(zhǔn)晶體二極管檢波器的檢波特性（7）將探針沿測(cè)量線由左向右移動(dòng)，按測(cè)量放大器指示每改變最大值刻度的10%，記錄一次探針位置，給出u沿線的分布圖形。（8）設(shè)計(jì)表格，用駐波測(cè)量線校準(zhǔn)晶體的檢波特性。（9）作出晶體檢波器校準(zhǔn)曲線圖。 令d作為測(cè)量點(diǎn)與波節(jié)點(diǎn)的距離；do是波節(jié)點(diǎn)的實(shí)際位置，d0+d就是測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際位置（10）再移動(dòng)探針到駐波的波腹點(diǎn)，記錄數(shù)據(jù)，分別找到波

13、腹點(diǎn)相鄰兩邊指示電表讀數(shù)為波腹點(diǎn)50%對(duì)應(yīng)的值，記錄此刻探針位置d1和d2，根據(jù)公式求得晶體檢波率n，和（8）所得的數(shù)值進(jìn)行比較。三， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析兩點(diǎn)法測(cè)波長(zhǎng)T181.9107.9T287103.1Tmin84.45105.5由公式（1b）可求得g=42.1所測(cè)量的波導(dǎo)波長(zhǎng)：42.1 波節(jié)點(diǎn)d0的位置：82相對(duì)電場(chǎng)強(qiáng)度00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0d(理論值)0測(cè)量值d00.541.081.662.232.843.484.215.016.098.53測(cè)量點(diǎn)實(shí)際位置d+d08787.5488.0888.6689.2389.8490.4891.4192.0193.

14、0995.53U34568.51219243343.561(1) 作出測(cè)量線探針在不同位置下的讀數(shù)分布曲線數(shù)據(jù)分析：由于此時(shí)波導(dǎo)中存在的是駐波，并且測(cè)量的位置是從波節(jié)到相鄰的波腹，所以畫(huà)出來(lái)的波形應(yīng)該是正弦曲線的四分之一，由上圖可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本符合，誤差在允許范圍內(nèi)。(2) 給出檢波晶體的校準(zhǔn)曲線，求出晶體檢波n；上圖為對(duì)數(shù)坐標(biāo)，橫軸表示logE，縱軸表示logU  分析：根據(jù)理論分析，上圖應(yīng)該是一條斜率為n的直線，而實(shí)際確實(shí)在前半段有所彎曲，而后半段近似于一條直線，故采用后半段計(jì)算斜率，經(jīng)計(jì)算，直線的斜率約為2.1，所以晶體檢波率為2.1。 第二種定標(biāo)方式： = 2

15、.15(3) 兩點(diǎn)法測(cè)波長(zhǎng)如第一個(gè)表，g = 42.1mm間接法測(cè)量波導(dǎo)波長(zhǎng)g = = 43.19mm比較兩種方法測(cè)量出的波導(dǎo)波長(zhǎng)，可以看出相差不大，說(shuō)明實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)操作規(guī)范正確。(4) 做晶體檢波特性的校準(zhǔn)時(shí)，有哪些主要誤差因素？怎樣減少或避免？答：探針深入長(zhǎng)度放在適當(dāng)深度，當(dāng)探針沿線移動(dòng)時(shí)，應(yīng)避免探針上下左右晃動(dòng)。(5) 你所測(cè)的晶體校準(zhǔn)曲線的應(yīng)用條件是什么？ 答：晶體二極管是一種非線性元件，亦即檢波電流I同場(chǎng)強(qiáng)E之間不是線性關(guān)系：I=k*En, 當(dāng)微波場(chǎng)強(qiáng)較大時(shí)呈現(xiàn)直線律，當(dāng)微波場(chǎng)強(qiáng)較小時(shí)（P<1w）呈現(xiàn)平方律。四， 思考題（1）在波導(dǎo)系統(tǒng)終端短路的情況下，插入

16、具有導(dǎo)納的探針后，波導(dǎo)中真正駐波圖形如何改變？答：Gu為探針等效電導(dǎo)，Bu為探針等效電納，當(dāng)終端短路時(shí)，駐波節(jié)點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納Yin 趨近于無(wú)窮大，駐波最大點(diǎn)A及最小點(diǎn)Gin=0的圓上。如果探針?lè)旁隈v波的波節(jié)點(diǎn)B上，由于此點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納Yin，故Yu的影響很小，駐波節(jié)點(diǎn)的位置不會(huì)發(fā)生偏移。如果探針?lè)旁隈v波的波腹點(diǎn)，由于此點(diǎn)處的輸入導(dǎo)納Yin0，故Yu對(duì)駐波腹點(diǎn)的影響就特別明顯，探針呈容性電納將使駐波腹點(diǎn)向負(fù)載方向偏移。（2）用波長(zhǎng)表測(cè)量自由空間中的信號(hào)振蕩頻率后，為什么還要失諧頻率計(jì)？ 答：電磁波通過(guò)耦合孔從波導(dǎo)進(jìn)入頻率計(jì)的空腔中，當(dāng)頻率計(jì)的腔體失諧時(shí)，腔里的電磁場(chǎng)極為微弱，此時(shí)，它基

17、本上不影響波導(dǎo)中波的傳輸。當(dāng)電磁波的頻率滿足空腔的諧振條件時(shí)，發(fā)生諧振，反映到波導(dǎo)中的阻抗發(fā)生劇烈變化，相應(yīng)地，通過(guò)波導(dǎo)中的電磁波信號(hào)強(qiáng)度將減弱，輸出幅度將出現(xiàn)明顯的跌落，從刻度套筒可讀出輸入微波諧振時(shí)的刻度，通過(guò)查表可得知輸入微波諧振頻率。如果不失諧頻率計(jì)，波導(dǎo)中傳播的電磁波會(huì)十分微弱（3）平方律檢波特性，只有在小信號(hào)時(shí)才適用，在測(cè)試過(guò)程中需要采取哪些措施來(lái)實(shí)現(xiàn)小信號(hào)？答：使用衰減器：衰減器是把一片能吸收微波能量的吸收片垂直于矩形波導(dǎo)的寬邊，縱向插入波導(dǎo)管，用以部分衰減傳輸功率，沿著寬邊移動(dòng)吸收片可改變衰減量的大小。衰減器起調(diào)節(jié)系統(tǒng)中微波功率的作用。（4）為什么要測(cè)量晶體檢波率，指示電表讀數(shù)和微波場(chǎng)強(qiáng)E之間成什么關(guān)系？答：當(dāng)微波功率變化較大時(shí)a 和k 就不是常數(shù), 且和外界條件有關(guān), 所以在精密測(cè)量中必須對(duì)晶體檢波器進(jìn)行定標(biāo)。電表讀數(shù)和場(chǎng)強(qiáng)的成指數(shù)關(guān)系。五， 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 本次實(shí)驗(yàn)中，我復(fù)習(xí)了微波的基礎(chǔ)知識(shí)，并且在實(shí)驗(yàn)中了解到微波在波導(dǎo)中傳播的特點(diǎn)，掌握